改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法与流程

本发明涉及钢轨制造，尤其涉及一种改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法。

背景技术：

1、目前，国内外高速、准高速及客货混运铁路多采用共析珠光体材质钢轨，此类钢轨的含碳量通常在0.65%~0.82%重量范围内，金相组织为珠光体，具有强韧性匹配良好，综合力学性能指标适中等特点。铁路的快速发展对钢轨服役性能提出了更高要求。由于传统珠光体钢轨的力学性能与焊接性能几乎发展到了极限，在此情形下，强度等级更高，兼顾良好耐磨损性能及抗接触疲劳性能的贝氏体钢轨应运而生，此类钢轨的含碳量通常在0.10%~0.30%重量范围内，金相组织为贝氏体+少量马氏体（或马奥岛）和残余奥氏体组成的复相组织。

2、随着贝氏体钢轨逐渐投入应用，贝氏体钢轨与铁路线上既有珠光体钢轨的混合使用，无疑为异种材质钢轨焊接带来了巨大挑战。在焊接过程中，钢轨受焊接热循环作用后，焊接区域的淬硬层消失并在焊缝两侧形成宽度较大的低硬度区。贝氏体钢轨一侧在焊接后硬度软化更为严重。目前的异种钢轨接头热处理方法通常是采用相同的加热方式将接头两侧加热至设定温度，再采用空冷或者喷风处理等控制冷却方式对焊缝两侧热影响区进行冷却。这种焊后热处理方式虽然能一定程度地改善焊接接头两侧的硬度，但该处理方法同时导致贝氏体一侧热影响区的韧性显著降低。

3、对于经常规正火热处理的共析珠光体与贝氏体钢轨异种钢轨焊接接头，仍普遍存在贝氏体钢轨一侧焊接热影响区硬度、冲击韧性偏低的情况，不利于铁路运行安全。因此，本领域亟需一种综合改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，以改善异种材质钢轨因焊接而降低的踏面硬度，同时改善钢轨接头冲击韧性，以保证异种钢轨焊接接头的服役性能及铁路运行安全。

2、根据本发明的一方面，提供一种改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，包括以下步骤：

3、步骤s1：将热处理型共析珠光体钢轨与热轧型贝氏体钢轨焊接形成的焊接接头进行一次冷却；

4、步骤s2：采用电感应加热将经所述一次冷却的所述焊接接头加热至正火温度，加热时以焊缝中心为分界线，珠光体一侧的感应加热线圈的加热频率为2~4khz，贝氏体一侧的感应加热线圈的加热频率为6~9khz，使所述焊接接头奥氏体化；

5、步骤s3：在正火加热完成后对所述焊接接头进行二次冷却，其中珠光体一侧的热影响区采用第一冷却速率冷却至第一终冷温度，贝氏体一侧的热影响区采用第二冷却速率冷却至第二终冷温度，所述第一冷却速率大于所述第二冷却速率，所述第一终冷温度高于所述第二终冷温度；

6、步骤s4：所述二次冷却结束后，将所述焊接接头自然冷却至环境温度。

7、根据本发明的一个实施例，步骤s2中珠光体一侧的加热温度为940~990℃，贝氏体一侧的加热温度为1000~1050℃。

8、根据本发明的一个实施例，在步骤s3中，所述第一冷却速率为4.0~7.0℃/s，所述第二冷却速率为2.4~2.8℃/s。

9、根据本发明的一个实施例，在步骤s3中，珠光体一侧热影响区的二次冷却的第一终冷温度为390~420℃，贝氏体一侧热影响区的二次冷却的第二终冷温度为300~330℃。

10、根据本发明的一个实施例，所述二次冷却采用压缩空气或水雾混合气进行喷风冷却。

11、根据本发明的一个实施例，珠光体一侧热影响区二次冷却的喷风压力为0.40~0.70mpa，贝氏体一侧热影响区二次冷却的喷风压力为0.12~0.14mpa。

12、根据本发明的一个实施例，所述一次冷却是在20~30℃的空气环境中进行的自然冷却。

13、根据本发明的一个实施例，所述一次冷却的终冷温度为100~200℃。

14、根据本发明的一个实施例，步骤s2中，珠光体一侧的感应加热速率为7~10℃/s，贝氏体一侧轨头部分的感应加热速率为15~20℃/s。

15、根据本发明的一个实施例，所述热处理型共析珠光体钢轨的母材包括按重量百分比计的下列化学成分：c：0.77%~0.83%、si：0.45%~0.90%、mn：0.80%~1.20%、v：0.15%~0.45%，余量为fe和不可避免的杂质，母材的室温抗拉强度为1170~1250mpa，硬度为310~350hv，冲击功为18~10j；所述热轧型贝氏体钢轨的母材包括按重量百分比计的下列化学成分：c：0.15%~0.19%、si：1.20%~1.60%、mn：0.70%~1.10%、cr：1.50%~1.90%、mo：0.20%~0.50%，余量为fe和不可避免的杂质，母材的室温抗拉强度为1130~1200mpa，硬度为290~330hv，冲击功为130~100j。

16、由于采用以上技术方案，本发明的方法具有下列有益效果中的至少一项：

17、（1）本发明提供的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法基于感应加热的集肤效应通过调节感应加热频率可获得不同的加热深度，加热完成后配合快速冷却即可获得不同深度的硬化层，以焊缝中心为分界线的感应加热线圈的左侧线圈（对应热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区）的加热频率范围为2~4khz，加热深度/硬化层深度对应25~35mm，右侧线圈（对应热轧型贝氏体钢轨一侧热影响区）的加热频率范围为6~9khz，加热深度/硬化层深度对应5~15mm，通过对异种材质钢轨接头焊缝两侧热影响区进行不同的加热和冷却，使得距焊缝中心±20mm区域内钢轨接头焊缝两侧热影响区的平均硬度差值控制在±25hv，进而保证钢轨接头焊缝两侧热影响区的耐磨性，还可使贝氏体钢轨一侧热影响区获得较高的表面硬度并使热影响区心部仍保有良好的冲击韧性，使贝氏体钢轨一侧热影响区的力学性能得到综合改善；

18、（2）采用本发明的方法可实现异种钢轨接头热处理型共析珠光体钢轨一侧热影响区中无马氏体，钢轨接头热轧型贝氏体钢轨一侧热影响区中马氏体组织体积分数在20%~30%，且马氏体多分布在浅表区域，增加了接头贝氏体一侧的表面硬度，同时保持了心部的韧性；

19、（3）室温下钢轨接头全断面焊缝冲击功平均值为41~48j，远高于tb/t 1632.2-2014规定的≥6.5j，本发明有助于改善钢轨焊接接头在线路服役过程中因焊接区域硬度偏低而导致的“鞍型”磨耗，接头冲击韧性良好，有助于保证铁路运行安全，尤其适用于异种钢轨焊接后的处理工艺之中。

技术特征：

1.一种改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，步骤s2中珠光体一侧的加热温度为940~990℃，贝氏体一侧的加热温度为1000~1050℃。

3.根据权利要求1所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，在步骤s3中，所述第一冷却速率为4.0~7.0℃/s，所述第二冷却速率为2.4~2.8℃/s。

4.根据权利要求3所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，在步骤s3中，珠光体一侧热影响区的二次冷却的所述第一终冷温度为390~420℃，贝氏体一侧热影响区的二次冷却的所述第二终冷温度为300~330℃。

5.根据权利要求3所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，所述二次冷却采用压缩空气或水雾混合气进行喷风冷却。

6.根据权利要求5所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，珠光体一侧热影响区二次冷却的喷风压力为0.40~0.70mpa，贝氏体一侧热影响区二次冷却的喷风压力为0.12~0.14mpa。

7.根据权利要求1所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，所述一次冷却是在20~30℃的空气环境中进行的自然冷却。

8.根据权利要求7所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，所述一次冷却的终冷温度为100~200℃。

9.根据权利要求1所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，步骤s2中，珠光体一侧的感应加热速率为7~10℃/s，贝氏体一侧轨头部分的感应加热速率为15~20℃/s。

10.根据权利要求1所述的改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法，其特征在于，所述热处理型共析珠光体钢轨的母材包括按重量百分比计的下列化学成分：c：0.77%~0.83%、si：0.45%~0.90%、mn：0.80%~1.20%、v：0.15%~0.45%，余量为fe和不可避免的杂质，母材的室温抗拉强度为1170~1250mpa，硬度为310~350hv，冲击功为18~10j；所述热轧型贝氏体钢轨的母材包括按重量百分比计的下列化学成分：c：0.15%~0.19%、si：1.20%~1.60%、mn：0.70%~1.10%、cr：1.50%~1.90%、mo：0.20%~0.50%，余量为fe和不可避免的杂质，母材的室温抗拉强度为1130~1200mpa，硬度为290~330hv，冲击功为130~100j。

技术总结本发明属于钢轨制造领域，公开了一种改善珠光体与贝氏体钢轨焊接接头硬度和冲击韧性的方法。该方法包括：将珠光体钢轨与贝氏体钢轨焊接形成的焊接接头进行一次冷却；采用电感应加热将经一次冷却的焊接接头加热至正火温度，珠光体一侧的感应加热线圈的加热频率为2~4kHz，贝氏体一侧的感应加热线圈的加热频率为6~9kHz，使焊接接头奥氏体化；对焊接接头进行二次冷却，其中珠光体一侧的热影响区采用第一冷却速率进行冷却，贝氏体一侧的热影响区采用第二冷却速率进行冷却；将焊接接头自然冷却至环境温度。本发明有助于改善钢轨焊接接头在线路服役过程中因焊接区域硬度偏低而导致的“鞍型”磨耗，且接头冲击韧性良好。技术研发人员：白威,邓健,陈容,朱宁芳受保护的技术使用者：攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司技术研发日：技术公布日：2024/12/23